Halvledare av kiselkarbid

Kisel är välkänt som det självklara materialet inom halvledartillverkningen, men ett annat material kan komma att bli nästa stora grej inom kraftapplikationer – kiselkarbid.

Kiselkarbid (SiC) har överlägsna elektriska och termiska egenskaper jämfört med kisel, med betydligt högre genombrottsspänning och lägre aktiveringsmotstånd när det gäller applikationer med snabb omkoppling. Tack vare dessa fördelar framstår SiC som ett mer lämpligt material än kisel för sådana uppgifter.

Fördelar

Halvledare av kiselkarbid används i en mängd olika elektroniska enheter, från elfordon och solenergisystem till 5G-teknik. Deras unika termiska och elektriska egenskaper gör dem mer kostnadseffektiva än motsvarande kiselbaserade halvledare, vilket har lett till att deras popularitet har skjutit i höjden under de senaste åren. Efterfrågan har därför ökat kraftigt.

Halvledare av kiselkarbid erbjuder många fördelar när det gäller energieffektivitet, snabbare kopplingshastigheter, minskade förluster i komponenterna samt överlägsen motståndskraft mot höga temperaturer och genombrottsspänningar jämfört med motsvarande kiselbaserade komponenter. Dessutom gör deras mer hållbara konstruktion att de klarar tuffa miljöförhållanden bättre, vilket sammantaget bidrar till att de blir populära val för nya tillämpningar såsom laddstationer för elfordon och solcellsväxelriktare.

IGBT:er och bipolära transistorer var tidigare de mest använda komponenterna inom kraftelektronik, men dessa komponenter medför flera utmaningar, såsom begränsade kopplingsfrekvenser och överdriven värmeutveckling. SiC-komponenter har bredare bandgap, vilket möjliggör högre kopplingsfrekvenser med lägre inkopplingsmotstånd, samtidigt som de har en lägre smältpunkt än kisel, vilket innebär att de utan problem tål högre temperaturer.

Beroende på användningsområdet kan halvledare av kiselkarbid användas tillsammans med andra material, såsom polymerer och keramik, och måste därför testas noggrant för att säkerställa både kvalitet och säkerhet – sådana metoder omfattar bland annat röntgenfluorescensanalys och masspektrometri med glödurladdning (GDMS).

Tillämpningar

Kiselkarbid är ett imponerande material som har potential att revolutionera kraftelektroniken. Som en halvledare med bred bandgap erbjuder kiselkarbid flera fördelar jämfört med kiselbaserade motsvarigheter när det gäller hantering av spänningsspikar, snabbare kopplingstider och lägre förluster i komponenterna, samt högre temperaturtålighet – egenskaper som gör det lämpligt för såväl elfordon som industriella tillämpningar och solcellsväxelriktare.

Kiselkarbid (SiC) är det lättaste och hårdaste keramiska materialet med överlägsen värmeledningsförmåga och kemisk beständighet mot syror och luter. Dessutom har SiC en elektrisk isoleringsförmåga som är tio gånger större än kiselets, med en extremt hög genombrottsfältstyrka som är tio gånger större än kiselets, samtidigt som det är helt giftfritt i sin sammansättning.

SiC-effektkomponenter har blivit en oumbärlig resurs inom en rad olika tillämpningar. Från att möjliggöra genombrott inom elektromobilitet till att stödja digitaliseringen i industriella miljöer har dessa effektkomponenter visat sig vara användbara inom en rad olika sektorer och branscher. Från batterihanteringssystem och inbyggda laddare till DC/DC-omvandlare – SiC-komponenter har snabbt blivit en branschstandard som bidrar till ett mer hållbart liv samtidigt som kostnaderna för laddstationer minskar.

Kiselkarbid har revolutionerat kraftelektroniken tack vare sina unika fysikaliska och elektroniska egenskaper. Som en av de få halvledarna med bred bandgap och hexagonal kristallstruktur (4H-SiC) är kiselkarbid ett utmärkt material för högspänningskomponenter som måste tåla tuffa miljöer samtidigt som de har snabbare omkopplingshastigheter, lägre förluster och till och med kan användas vid mycket höga frekvenser utan att prestanda eller tillförlitlighet påverkas. Detta material skulle potentiellt kunna ersätta befintliga IGBT:er eller bipolära transistorer utan att prestanda eller tillförlitlighet påverkas.

Tillverkning

Kiselkarbid (SiC) är ett extremt mångsidigt halvledarmaterial. Det kan dopas kraftigt både av n-typ och p-typ med kväve, fosfor, aluminium eller gallium för att uppnå metallisk ledningsförmåga och ge rena SiC-kristaller deras karakteristiska regnbågsliknande glans; industriella kvaliteter innehåller ofta järnföroreningar som ändrar färgen från brun till svart.

Denna halvledares isolerande egenskaper beror på dess kristallstruktur. Dess atomlager skapar ett tätt mellanrum mellan valens- och ledningsbanden, vilket gör det svårare för elektroner att röra sig mellan lagren – vilket ger den förmågan att tåla nästan tio gånger så starka elektriska fält som kisel.

Schottky-dioder av kiselkarbid har lägre on-motstånd och lägre total gate-laddning, vilket gör dem mer effektiva och snabbare än sina kiselbaserade motsvarigheter – vilket gör dem idealiska för energikrävande tillämpningar som strömomvandlare och strömbrytare i elfordon (EV) eller system för förnybar energi.

Tillverkningen av halvledare av kiselkarbid är en komplicerad process. Den innebär att man använder flera olika maskiner för att tillverka skivor med en ytjämnhet på mindre än 1 mikrometer, innan man polerar dem med CMP-vätska (kemisk-mekanisk polering) på filt- eller uretanimpregnerade polerplattor för att avlägsna skador och ytoxidation – detta steg, som kallas kemisk-mekanisk polering, är avgörande för att förbereda substratytorna för epitaxial tillväxt samtidigt som skivans formstabilitet bibehålls.

Prissättning

Kiselkarbid förekommer i olika former och användningsområden. Från skärverktyg och slipmedel till halvledare och till och med det genomskinliga mineralet moissanit – kiselkarbid har tillverkats syntetiskt sedan 1893 i storskaliga produktionsanläggningar och förekommer även i naturen. Eftersom det är ett både hårt och hållbart material tål det både höga temperaturer och mekanisk påfrestning utan att gå sönder.

Halvledare av kiselkarbid upplever en snabb global marknadstillväxt i takt med att företag söker efter effektiva lösningar för energihantering. Deras unika termiska och elektriska egenskaper gör dem till populära val inom industriella tillämpningar; dessutom gör deras skalbarhet det möjligt för tillverkarna att sänka produktionskostnaderna.

Allegro Microsystems är ett av de företag som expanderar för att möta den ökande efterfrågan på halvledare av kiselkarbid. Som en av branschens ledande aktörer inom sensorer och effektlösningar för motordrivsystem expanderar Allegro för att möta efterfrågan.

Kiselkarbid är en viktig komponent i effekthalvledare, som i allt större utsträckning används i batteriladdare för elfordon, inbyggda laddningssystem för elfordon, DC-DC-omvandlare, vindkraftverk och växelriktare för solceller, i takt med att efterfrågan på förnybara energikällor ökar kraftigt. Andra viktiga aktörer är II-VI Coherent Corp., Semiconductor Components Industries LLC och WOLFSPEED INC. Användningen av kiselkarbid i krafthalvledare förväntas driva på tillväxten inom detta marknadssegment.